Cemento: produzione, chimica

Il cemento è  uno dei materiali da costruzione più importanti che dà luogo al fenomeno di presa e indurimento per legare tra loro pietre, mattoni e tegole.
È un legante idraulico in quanto indurisce e si lega alle materie inerti combinandosi e reagendo con l’acqua.

A differenza dei leganti aerei che eliminano acqua assorbendo CO2 dall’atmosfera nel processo di carbonatazione, i leganti idraulici possono essere impiegati in opere sommerse, a meno di non trovarsi a contatto con acque aggressive che esercitano su di essi una lenta azione corrosiva.

È costituito principalmente da calcare, sabbia o argilla, bauxite e minerale di ferro, e può contenere gesso, marna, scisto, scorie d’altoforno, ardesia.

Le materie prime sono lavorate in impianti di produzione e riscaldate per formare una sostanza che è poi macinata in una polvere fine. Quest’ultima, miscelata con l’acqua dà luogo a una reazione chimica seguita dal fenomeno di presa e indurimento

Produzione del cemento

Il cemento è costituito da:

Ossido di calcio CaO che ne aumenta la resistenza

Biossido di silicio SiO2 che ne aumenta la forza

Ossido di alluminio Al2O3 responsabile della presa rapida

Ossido di ferro (III) Fe2O3 materiale fondente che è responsabile del colore

Sono presenti in piccole quantità ossido di magnesio, ossido di sodio e di potassio, anidride fosforica e anidride solforica. La presenza degli ossidi aumenta il pH fino a 13.5 e ciò consente la protezione dell’acciaio dell’ armatura dalla corrosione.

Il calcare sotto forma di calcite, aragonite o marmo e le marne sono frantumati e portati in un forno rotante alla temperatura di circa 1450°C.

A questa temperatura si verifica la decomposizione termica del carbonato di calcio e la reazione tra ossido di calcio con gli altri componenti.

Chimica del cemento

Dalle reazioni tra i diversi componenti si ottengono i composti di Bogue detti così in onore del fisico statunitense Robert Herman Bogue.

Si riportano in tabella tali composti:

Composti di Bougue Formula Abbreviazione Nome comune
Silicato tricalcico 3 CaO·SiO2 C3S Alite
Silicato bicalcico 2 CaO·SiO2 C2S Belite
Alluminato tricalcico 3 CaO·Al2O3 C3A Celite
Alluminiferrite tetracalcico 4 CaO·Al2O3·Fe2O3 C4AF Ferrite

 

L’alite  si idrata rapidamente, tramite una reazione esotermica che libera 125 kcal/kg, formando il silicato di calcio idrato principale responsabile della resistenza meccanica iniziale.

La belite si idrata lentamente, tramite una reazione esotermica che libera 63 kcal/kg, formando il silicato di calcio idrato che è il principale responsabile della resistenza meccanica sul lungo periodo del cemento

La celite è il primo composto che inizia ad idratarsi producendo il maggior calore di idratazione pari a 215 kcal/kg  ed è responsabile della presa del cemento.

La ferrite si idrata, tramite una reazione esotermica in grado di liberare 95 kcal/kg, formando alluminati di calcio idrati, ed è responsabile, insieme alla celite della presa del cemento

 

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